Uni Köln > HOME > Forschung > Keimbildung > Simulationen

Molekulardynamische Simulationen von Keimbildung

Kontakt: Dr. Judith Wölk, Dr. Jan Wedekind, Guram Chkonia, Jan-Hubert Wittmann

Neben den experimentellen Methoden wird Keimbildung auch mittels molekulardynamischen (MD) Simulation erforscht. Die folgenden Snapshots zeigen als einfaches Beispiel die Kondensation eines Argon-Tröpfchens, ausgehend von einer übersättigten, homogenen Dampfphase (Klick auf die Bilder für vergrößerte Darstellung).

Start: Homogene, übersättigte Dampfphase.

Erste Cluster bilden sich.

Ein Cluster überschreitet die kritische Größe...

... und wächst auf Kosten der Dampfphase.

Keimbildung ist ein aktivierter Prozess und die Bildung eines Tröpfchens ist daher ein sehr seltenes Ereignis verglichen mit hohen Anzahl der Kollisionen der Molekükle in der Dampfphase. Darüber hinaus ist der Zeitpunkt, zu dem ein Cluster die kritische Größe überschreitet, nicht vorsehbar sondern statistisch verteilt - in manchen Fällen auch außerhalb des simulierbaren Zeitfensters. Erst durch den Einsatz von Hochleistungscomputern ist es möglich, größere Systeme mit bis zu mehreren Tausend Teilchen in angemessener Rechenzeit zu simulieren.

Die MD-Simulation wird in einem abgeschlossenen System mit periodischen Randbedingungen durchgeführt. Es wird die von Dr. Stephan Wonczak im Institut für diese Zwecke entwickelte Software CLUSTER verwendet [3]. Üblicherweise werden die Parameter Volumen V und Teilchenzahl N, konstant gehalten, die Temperatur gilt als Variable, um das System zu beeinflussen. Das in den Snapshots zu sehende System besteht z.B. aus 343 Ar Atomen in einem Volumen von (16nm)³ bei einer Temperatur von 50K.

Publikationen zum Thema

[1] S. Wonczak, R. Strey, and D. Stauffer, Confirmation of classical nucleation theory by Monte Carlo simulations in the 3-dimensional Ising model at low temperatures, J. Chem. Phys. 113 (5), 1976-1980 (2000).

[2] K. Laasonen, S. Wonczak, R. Strey, and A. Laaksonen, Molecular dynamics simulations of gas-liquid nucleation of Lennard-Jones fluid, J. Chem. Phys. 113 (21), 9741-9747 (2000).

[3] S. Wonczak, Molekulardynamische Simulationen von Argon-Clustern, Ph.D. Thesis, Universität zu Köln, 2001.

[4] M. Hamacher, Molekulardynamische Simulationen von Verdampfung und Keimbildung von Argonclustern in Helium als Trägergas, Diplomarbeit, Universität zu Köln, 2002.

[5] J. Wedekind, Nano-Droplets at Birth - Computer Experiments on Gas Phase Nucleation, Ph.D. Thesis, Universität zu Köln, 2006.

[6] J. Wedekind, D. Reguera, and R. Strey, Finite-size effects in simulations of nucleation, J. Chem. Phys. 125 (21), 214505-214507 (2006).

Allgemeine Literatur

[1] M.P. Allen and D.J. Tildesley, Computer Simulation of Liquids. (Oxford University Press, Oxford, 1989).

[2] D. Frenkel and B. Smit, Understanding Molecular Simulation, 2nd ed. (Academic Press, San Diego, 2002).

[3] K. Binder, J. Horbach, W. Kob, W. Paul, and F. Varnik, Molecular dynamics simulations, J. Phys.: Condens. Matter 16 (5), 429-453 (2004).